油氣集輸系統(tǒng)節(jié)能研究進(jìn)展

朱夢(mèng)影， 董彩虹，張迪，張杰

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司北京油氣調(diào)控中心，北京 100007; 3. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100083）

油田地面工程包括油氣集輸與油氣礦場(chǎng)加工（以下簡(jiǎn)稱油氣集輸）、油田采出水處理、供排水、注水、供電等系統(tǒng)。地面工程約占油氣田開(kāi)發(fā)總投資的30%～40%，占?xì)馓锿顿Y的60%～70%。其核心是油氣集輸系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著油氣計(jì)量、收集、分離、凈化處理、儲(chǔ)存、以及外輸?shù)闹厝?，同時(shí)也消耗著大量的能量，是油田生產(chǎn)中的主要耗能環(huán)節(jié)之一[1]。隨著許多老油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，開(kāi)發(fā)難度和油氣處理的難度急劇增加，單位產(chǎn)量的能耗逐年上升。而我國(guó)正處經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)期，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，一定程度上影響了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，做好節(jié)能降耗工作，提高集輸系統(tǒng)的能源利用率，降低集輸系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，從而降低油田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，增加效益，對(duì)油田的可持續(xù)化發(fā)展至關(guān)重要。

1 油氣集輸系統(tǒng)能耗特點(diǎn)[2, 3]

（1）油氣水處理能耗高，油氣蒸發(fā)損耗高。油田開(kāi)采后期，原油含水量高達(dá)80%以上，使油氣處理難度加大，處理裝置的負(fù)荷加大，能耗加大。同時(shí)，一些老油田還采用傳統(tǒng)的工藝流程，系統(tǒng)密閉有待提高。

（2）熱負(fù)荷分散，產(chǎn)熱設(shè)備數(shù)量多、運(yùn)行效率低。油田廣泛采用的加熱爐，平均運(yùn)行效率低于75%。

（3）普遍采用燃燒高能質(zhì)的石油燃料以獲取熱能。

（4）生產(chǎn)用電量大，電、熱力采用分產(chǎn)、分供的方式，利用率低。即動(dòng)力或電力幾乎全部由電網(wǎng)供給，熱能則由小型鍋爐和加熱爐提供。

2 油氣集輸系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀和原因[4, 5]

（1）油水比例變化使原來(lái)的集輸工藝和設(shè)施的不適應(yīng)性，不匹配性日益嚴(yán)重。

例如，進(jìn)入特高含水開(kāi)發(fā)期后，產(chǎn)油量的減少使外輸泵“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重，電耗大。部分油田還沿用傳統(tǒng)的進(jìn)站直接加熱升溫、沉降的工藝，造成能源浪費(fèi)，系統(tǒng)效率降低。

（2）特殊油藏的開(kāi)發(fā)和三次采油技術(shù)的推廣以及隨著油含水量、含沙量的增加，加大了油氣集輸系統(tǒng)油氣水分離、原油破乳和污水處理的難度。尤其是對(duì)高粘起泡重質(zhì)原油，采用傳統(tǒng)分離處理工藝效率低、能耗大。

（3）隨著油中含水量的逐年增加和產(chǎn)油量的逐年遞減，油氣集輸系統(tǒng)存在不同程度的超負(fù)荷運(yùn)行和低效現(xiàn)象。而且油田的各類(lèi)設(shè)備，尤其是鍋爐、加熱爐、抽油機(jī)、注水泵等主要耗能設(shè)備，都普遍存在著不同程度的老化，不能按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行周期檢驗(yàn)和維護(hù)，造成效率下降，系統(tǒng)可靠性降低，設(shè)備破裂和停產(chǎn)事故幾率增加。

（4）腐蝕是油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中所面臨的要害問(wèn)題，管線穿孔，設(shè)備腐蝕將影響集輸系統(tǒng)正常運(yùn)行，如不及時(shí)處理，甚至造成停工停產(chǎn)的重大經(jīng)濟(jì)損失。

3 油氣集輸系統(tǒng)的節(jié)能進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗的應(yīng)用研究方面做了大量的工作，取得了良好的應(yīng)用效果，但多數(shù)屬于局部的節(jié)能應(yīng)用。

(1)楊德偉等[6]通過(guò)能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，實(shí)地測(cè)試用能設(shè)備，運(yùn)用熱力學(xué)與傳熱學(xué)的知識(shí)分析，找出了勝利油田進(jìn)入高含水階段，聯(lián)合站能耗大幅度增加的原因并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)原脫水工藝、對(duì)沉降罐進(jìn)行保溫以及在油水泵上使用變頻調(diào)速裝置等節(jié)能降耗措施。

張建等[5]闡述了勝利油田圍繞節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)、提高集輸工藝系統(tǒng)效率等方面，采用了游離水脫除、液一液旋流分離、水力旋流除砂、變頻調(diào)速等一系列新技術(shù)，高了集輸工藝技術(shù)水平，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，形成了油田集輸系統(tǒng)的一套的節(jié)能降耗技術(shù)。

以上兩項(xiàng)研究均為勝利油田的節(jié)能降耗工作給出了指導(dǎo)。

（2）胡亞范等[7],在熱泵余熱回收技術(shù)的原理基礎(chǔ)上，探討了應(yīng)用熱泵技術(shù)的條件及其產(chǎn)生節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算方法。針對(duì)集輸系統(tǒng)余熱熱泵回收技術(shù)，詳細(xì)分析了余熱回收利用的方法，對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。

王洪星等[8]采用高溫?zé)岜脵C(jī)組回收油田污水中的熱量用于加熱原油，充分利用了油田污水的余熱，既減少了日益緊張的燃料消耗，又減少了環(huán)境污染，具有良好的應(yīng)用前景。

這兩項(xiàng)研究均展現(xiàn)了熱泵技術(shù)由于回收污水余熱的良好前景。

（3）狄小勇等[9]通過(guò)分析得出聯(lián)合站污水余熱具有很高的回收利用價(jià)值，并利用污水換熱器，對(duì)聯(lián)合站的污水的實(shí)現(xiàn)熱能回收再利用，對(duì)油田污水廢物利用提供了借鑒。

（4）龍鳳樂(lè)等[10]以油氣集輸系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了能量平衡模型，對(duì)集輸系統(tǒng)用能進(jìn)行了評(píng)價(jià)計(jì)算，找到系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，并根據(jù)結(jié)果制定了提高集輸系統(tǒng)能量利用率的措施，為集輸系統(tǒng)的節(jié)能改造提供了科學(xué)的理論依據(jù).

（5）楊肖曦等[11]以油氣集輸系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)建立系統(tǒng)（火用）平衡模型，對(duì)集輸系統(tǒng)進(jìn)行(火用)平衡分析，并對(duì)用能現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，找到系統(tǒng)耗能的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了相應(yīng)的節(jié)能措施，該模型為集輸系統(tǒng)的節(jié)能分析和改造提供理論依據(jù)。

(6)謝焜 等[12]詳細(xì)分析了大港油田集輸系統(tǒng)中集油、輸油、油氣處理、熱力和污水處理各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工藝、存在問(wèn)題和節(jié)能潛力點(diǎn)等，并針對(duì)問(wèn)題提出今后節(jié)能工作的建議。應(yīng)用油井單管常溫輸送技術(shù)簡(jiǎn)化集油系統(tǒng)工藝流程;采用越站輸送方式減少原油進(jìn)站升溫、升壓次數(shù);應(yīng)用高效的油氣和污水處理裝置，縮短脫水和污水處理工藝;試驗(yàn)新型節(jié)能燃料;通過(guò)供注水系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)油田產(chǎn)出污水零排放。為其他油田的節(jié)能研究分析提供了思路，是很好的節(jié)能案例。

（7）文獻(xiàn)[13]渤西油田通過(guò)改進(jìn)分離，處理和回注近海的能力，大多的產(chǎn)生水在主生產(chǎn)平臺(tái)的分離器中分離處理，并通過(guò)GLCC(氣液圓柱形旋流分離器)等手段在擁擠的平臺(tái)將氣體和液體分離并重新注入系統(tǒng)，而且通過(guò)更新陸上和中心平臺(tái)處理系統(tǒng)，使產(chǎn)出水的處理效率大大提高，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)排水減量以及減少管道能耗，做到節(jié)能環(huán)保的要求。它是渤海灣一個(gè)創(chuàng)新在處理系統(tǒng)中使用GLCC分離氣體和液體的案例，為渤海灣后期的油田的可持續(xù)發(fā)展提供了借鑒。

（8）田玉江[14]分析了華北油田利用地?zé)豳Y源代替部分燃油節(jié)能降耗的可行性。針對(duì)地?zé)崴母g問(wèn)題，采用地?zé)衢g接利用系統(tǒng)，熱水梯級(jí)利用方式，提高地?zé)岬睦寐?。?duì)管道伴熱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，繪制地?zé)崂孟到y(tǒng)的能流程圖，對(duì)改造前后系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。為其他油田利用地?zé)豳Y源代替燃油加熱實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗提供了參考價(jià)值。

（9）周英明[15]以大慶地區(qū)某一低產(chǎn)油田作為研究對(duì)象，建立了節(jié)點(diǎn)能量平衡模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試找出系統(tǒng)中低效，高耗能的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)性地提出各節(jié)點(diǎn)的降耗的措施，預(yù)測(cè)了改造后低產(chǎn)油田集輸系統(tǒng)能耗情況。

劉曉燕等[16]以大慶外圍低滲透油田集輸系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作為研究對(duì)象, 建立油田集輸系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型，并編制節(jié)能管理軟件。將該研究應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)后節(jié)能效果顯著。

（10）Vladimir Shumilin[17]以進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期產(chǎn)液量不斷上升的油井的計(jì)量為研究對(duì)象，針對(duì)采用了多相流量計(jì)計(jì)量的井，提出一系列現(xiàn)場(chǎng)的節(jié)能操作使深井泵的工作更加高效，提高油氣的生產(chǎn)速度，減少產(chǎn)水率，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

4 油氣集輸系統(tǒng)的節(jié)能措施和新技術(shù)推廣

針對(duì)上述的油氣集輸系統(tǒng)能耗特點(diǎn)和原因，以及前人的研究成果，通過(guò)新技術(shù)的推廣可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4.1 原油降溫集輸技術(shù)

隨著油田進(jìn)入高含水期，傳統(tǒng)的集油工藝技術(shù)，消耗大量熱力和電力。近年來(lái)，各大油田都在大力推廣原油降溫集輸技術(shù)。例如遼河油田的稠油集輸系統(tǒng)[18]，將三管伴熱輸送流程，改為井口摻液輸送雙管流程，有效降低了成本。大港油田應(yīng)用單管常溫集油技術(shù)簡(jiǎn)化原有的集油系統(tǒng)工藝流程，通過(guò)在單管加熱流程上取消井口加熱爐后，精減了加熱保溫系統(tǒng)，降低投資和管理成本，節(jié)能效果顯著。

梁釗[4]提出當(dāng)含水率超過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)而產(chǎn)液量低于100 t/d或者處于轉(zhuǎn)相點(diǎn)周?chē)挠途梢圆捎媒禍丶头椒?，不同情況相應(yīng)的措施有：不加劑摻常溫水、加流動(dòng)改進(jìn)劑、降低摻水溫度。

目前，單管常溫集油、雙管不加熱集油、摻低溫水環(huán)狀不加熱集油、低溫采出液游離水脫除、離心泵輸送低溫含水原油等技術(shù)在大慶等多個(gè)油田得到推廣并取得良好效果[2,18]。

4.2 加熱爐節(jié)能措施

加熱爐是油氣集輸系統(tǒng)中的重要供熱設(shè)備，影響其效率的因素有：爐型結(jié)構(gòu)、燃燒器、爐膛熱損失、空氣系數(shù)、排煙溫度、余熱回收等。

目前，加熱爐節(jié)能技術(shù)應(yīng)用[20]有：1）高效燃燒器；2）真空加熱爐；3）加熱爐優(yōu)化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)；4）加熱爐安裝物理清洗裝置；5）加熱爐引射式輻射管；6）加熱爐涂層。

降低加熱爐耗能可從以下幾個(gè)方面入手[2,4]：

1）首先，要選擇高效加熱爐，如高效的燃燒器、真空加熱爐等。2）其次，加強(qiáng)管理，控制加熱爐的工作參數(shù)，合理調(diào)整空氣系數(shù)，減少不必要的熱損失。例如，采用無(wú)機(jī)傳熱余熱利用裝置、高溫節(jié)能涂料和自動(dòng)比例式轉(zhuǎn)杯燃燒裝置等節(jié)能技術(shù)。3）定期維護(hù)，除垢，緩解加熱爐的腐蝕、損壞狀況。此外，節(jié)能還可以采用新技術(shù)：多井式加熱爐。多井式加熱爐是一臺(tái)加熱爐可以同時(shí)對(duì) 2～4口氣井進(jìn)行加熱和節(jié)流，可以同時(shí)滿足高壓氣井節(jié)流加熱的需求。

4.3 油氣混輸技術(shù)

油氣混輸技術(shù)是海洋石油工業(yè)的一門(mén)新興技術(shù)，是將井口流出物中的油、氣、水三相介質(zhì)，在未經(jīng)分離的情況下，直接用混輸泵經(jīng)海底管道泵送到油氣水處理終端進(jìn)行綜合處理的工藝流程。傳統(tǒng)的海洋油氣集輸工藝，需要分離器、外輸泵、壓縮機(jī)以及獨(dú)立的油、氣、水海底管道，不僅設(shè)備眾多，投資大，而且管理成本高。隨著油氣混輸技術(shù)的推廣，僅需混輸泵和混輸管道即可實(shí)現(xiàn)外輸，減少了設(shè)備的投資和海洋平臺(tái)的占地，增加了單井采收率，直接增加了海上油氣田的效益，因此混輸技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。錦州 20-2凝析氣田是我國(guó)第一條應(yīng)用了油氣混輸管輸?shù)暮Ｉ蠚馓铩?/p>

4.4 節(jié)能降耗配套技術(shù)

（1）采用大罐氣體回收設(shè)備。在聯(lián)合站的油罐上安裝大罐氣體回收裝置，并逐步取消一批單井拉油罐，更換為密閉輸送，減少油田油氣損耗。

（2）采用節(jié)能異型抽油機(jī)，提高單井節(jié)能。例如，大慶油田[21]開(kāi)發(fā)了包括兩項(xiàng)創(chuàng)新梁式泵機(jī)組，三節(jié)能電機(jī)，以及兩個(gè)創(chuàng)新的控制設(shè)計(jì)。游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)的效率在使用了這些創(chuàng)新的節(jié)能技術(shù)后大大提高。以及針對(duì)大慶的衛(wèi)星油田[22]的特點(diǎn)，近年來(lái)應(yīng)用電潛往復(fù)泵送系統(tǒng)（ESRP）代替游梁式抽油機(jī)，取得明顯節(jié)能效果

（3）污水處理采用高效的除油技術(shù)，簡(jiǎn)化為一級(jí)除油和一級(jí)過(guò)濾流程；對(duì)部分水質(zhì)要求較低的污水站采用高效多功能處理技術(shù)。熱泵回收含油污水余熱技術(shù)，利用熱泵能將低品位熱能轉(zhuǎn)換成高品位熱能，從而提高能源的有效利用率。例如，大慶油田采用壓縮式熱泵方案，勝利油田采用吸收式熱泵方案，回收含油污水低品位余熱，節(jié)能效果十分顯著[2]。

4.5 其他節(jié)能技術(shù)和措施

（1）尋找燃油的替代品。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水焦?jié){、水煤漿和油焦?jié){等新型燃油替代品。

（2）為解決外輸泵“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，用高效泵代替低效泵，大泵代替小泵，加強(qiáng)輸油泵的維護(hù)，使輸油泵的運(yùn)行將更加平穩(wěn)，提高泵效。以往通過(guò)節(jié)流調(diào)節(jié)泵的排量，經(jīng)濟(jì)性差。采用變頻調(diào)速技術(shù)，則可通過(guò)改變變頻器的輸出頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的凋速，從而改變泵的排量、揚(yáng)程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（3）ZGM超導(dǎo)節(jié)能加熱器推廣應(yīng)用；用（LACT）撬裝式計(jì)量車(chē)裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；智能溫壓控制裝置應(yīng)用等。

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